STUDIUL TERMISTOARELOR

Scopul lucrarii

Prezentarea materialelor termistoarelor, domeniul de utilizare, studiul functionarii lor, precum si determinarea principalilor parametrii ai acestora. Ridicarea caracteristicilor R=f(T) si U=f(I).

Consideratii teoretice

Functionarea termistoarelor se bazeaza pe fenomenul termorezistiv, adica dependenta puternica a rezistentei electrice de temperatura.

Toate materialele isi modifica rezistivitatea in functie de temperatura, dar acest fenomen se deosebeste la diferite materiale prin caracterul acestei variatii precum si gradul ei de intensitate. In cazul metalelor variatia rezistivitatii urmeaza legea:

(1)

unde a este coeficientul de variatie a rezistivitatii cu temperatura si are valori foarte mici, r este rezistivitatea la temperatura T₀ C, DT este variatia de temperatura.

In cazul semiconductoarelor mecanismul conductibilitatii este mult mai complex si expresia analitica a rezistivitatii este:

(2)

unde: r r - sunt rezistivitatea semiconductorului fara impuritati, respectiv cu impuritati la temperatura T₀ K.

Dw - este energia de activare a conductiei pentru semiconductor pur.

Dw₁ - este energia de activare a impuritatilor.

T - temperatura la care se calculeaza rezistivitatea in grade Kelvin.

K - este constanta lui Boltzmann, k 10^-23 J/ K.

Dupa cum se vede legea de variatie a rezistivitatii este exponentiala. Atunci cand dependenta de temperatura a rezistivitatii electrice este folosita in mod controlat se obtine o rezistenta termosensibila a carei rezistivitate pentru un interval de temperatura este:

(3)

unde factorul care variaza repede este exponentiala. Pentru temperaturi relativ mici (200 C) se poate considera b aproximativ zero, deci relatia devine:

(4)

Aceasta expresie se poate scrie si sub forma:

(5)

care este ecuatia caracteristicii termice a termistorului si unde A este un parametru de material independent de temperatura, iar B este o constanta electronica, exprimata in grade Kelvin si se numeste indice de sensibilitate termica.

Dupa cum rezistenta termistoarelor scade sau creste cu cresterea temperaturii, deosebim: pozitermistoare (PTC) care au a_R > 0, respectiv negatermistoare (NTC) cu a_R < 0.

Variatia rezistentei in functie de temperatura (caracteristica statica) pentru termistoare si comparat cu variatia rezistentei a metalelor este ilustrata in figura 1.

Fig. 1. Caracteristica statica a termistorului

Pentru fabricarea termistoarelor se folosesc oxizi metalici ai elementelor din grupa a patra: Cr, Mn, Fe, Co, Ni. Acesti oxizi in stare pura au o rezistivitate mare, dar impurificati cu ioni ai elementelor metalice, capata proprietati semiconductoare. Pentru fabricarea negatermistoarelor pana la temperatura 250 C se folosesc NiO+MnO, NiO+MnO+CoO, Cu₂O+ZnO. Pozitermistoarele se obtin pe baza de titanat de bariu si titanat de strontiu, impurificate cu ioni tri-, tetra- si penta-valente.

Termistoarele au o aplicatie larga ca traductoare de temperatura, dar si in circuite de comanda pentru reglarea temperaturii sau protectiei impotriva supraincarcarii, stabilirea tensiunii la variatii de temperatura, limitare de curent etc.

Pentru exploatarea corecta a termiostoarelor trebuie bine cunoscute caracteristicile si parametrii acestora.

Determinarea indicelui de sensibilitate termica B, implica cunoasterea rezistentelor corespunzatoare la doua valori ale temperaturii R(T₁) si R(T₂). Prin logaritmare din relatia 5 se obtine:

(6)

STAS 9486-79 recomanda pentru aceste doua temperaturi valorile:

T₁ K (+25 C) si

T₂ = 358,15 K (+85 C).

Prin inlocuire in relatia 6 obtinem.:

[K] (7)

In mod normal B este cuprins intre 2000 5000K.

Coeficientul de variatie a rezistentei cu temperatura se defineste cu relatia

[1/K] (8)

si variaza cu temperatura, de aceea trebuie determinat pentru fiecare temperatura.

Pentru un domeniu de temperatura cuprins intre T₁ si T₂ se poate determina o valoare medie a coeficientului a_R corespunzator temperaturii folosind relatia:

C (9)

Constanta de timp termica (t) care se numeste si inertia termistorului masoara timpul de raspuns al acestuia. Se defineste in mai multe feluri. Pentru un termistor cu incalzire indirecta, constanta t este timpul in care rezistenta termistorului ajunge la 37% din valoarea avuta la T C, cand el este introdus intr-un mediu cu temperatura T C.

Pentru termistoare cu incalzire proprie, constanta t masoara timpul in care rezistenta termistorului incalzit de curentul care trece prin el, scade cu 63% lasat in atmosfera libera cu alimentare decuplata. Constanta de timp depinde de dimensiunile termistorului, de materialul din care este confectionat si de puterea nominala a acestuia.

Caracteristica voltampermetrica U f(I) la o temperatura data este proprie tipului de termistor. Forma acestei caracteristici este data in figura 2. Conform figurii rezistenta statica respectiv dinamica intr-un punct P se definesc astfel:

(10)

(11)

Fig. 2. Caracteristica voltampermetrica a termistoarelor

De obicei punctul de functionare se afla pe portiunea liniara a caracteristicii (OA).

Modul de lucru

Se realizeaza montajul conform schemei de pe figura 3.

Fig. 3. Schema desfasurata a montajului utilizat

Aparatura utilizata:

C - cuptor electric cu temperatura reglabila

A - ampermetru de c.c. avand domeniul 0 1A

V - voltmetru de c.c. avand domeniul 0 10V

W - Ohm-metru pe domeniile 0,1kW si 1kW

R - reostat reglabil 30W/5A

R_T - termistor de studiat

S - sursa de tensiune stabilizata E4109

Q - comutator bipolar cu doua pozitii 220V/1A

Cu comutatorul Q pe pozitia 2 se masoara rezistenta termistorului la temperatura ambianta. Apoi se introduce termistorul in cuptor si se cupleaza. Se va urmari pe termometru temperatura din cuptor si la temperaturile indicate in tabelul 1 se va citi de pe Ohm-metru rezistenta teristorului. Rezistenta termistorului la temperaturile 47 C si 85 C se vor citi foarte precis, aceste valori sunt necesare pentru calcule ulterioare. Se completeaza tabelul 1. Cu datele obtinute se ridica caracteristica R f(T) si pe grafic se marcheaza punctele R(25), R(47) si R(85). Aceste valori se trec si in tabelul 2.

Se decupleaza cuptorul si se scoate termistorul din cuptor.

Se calculeaza indicele de sensibilitate B cu relatia (7) folosind datele obtinute. Rezultatul se trece in tabelul 2.

Tabelul 1.

Se va calcula coeficientul de temperatura a_R folosind relatia (9), in care domeniul de temperatura va fi cea determinata de t₁ C si t₂=85 C. Se va determina si temperatura corespunzator acestei valori al coeficientului.

Constanta de timp termica t se va masura cu cronometru. Pentru acesta se realizeaza schema din figura 3 cu comutatorul Q pe pozitia 1 alimentand astfel termistorul aflat la temperatura camerei cu o tensiune de 10V. La aplicarea tensiunii prin termistor trece un curent (la inceput de valoare mica) care il incalzeste, deci termistorul isi va modifica rezistenta. Variatia rezistentei duce la variatia curentului (creste) care marindu-se incalzeste si mai mult termistorul. Astfel pe ampermetru se va observa cresterea curentului prin termistor de la o valoare minima la o valoare maxima care se determina in prealabil din relatia:

unde U 10V (12)

In momentul in care curentul a atins valoarea calculata se trece comutatorul Q pe pozitia 2 decupland astfel termistorul de la retea. Concomitent cu acesta se cupleaza cronometrul si se urmareste indicatia ohm-metrului ce indica variatia rezistentei termistorului. Se va cronometra timpul in care rezistenta termistorului atinge valoarea R(47) avuta la temperatura 47 C si notata in tabelul 2. Contanta de timp t se va trce in tabelul 2.

Tabelul 2.

Pentru ridicarea caracteristicii U=f(I) se foloseste aceeasi schema cu comutatorul Q pe pozitia 1. Se aplica termistorului tensiunea U care se va creste treptat de la 0V la 10V conform tabelului 3. Pentru fiecare valoare a tensiunii se citeste valoarea curentului indicat de ampermetru. Si in acest caz apare fenomenul de autoincalzire a termistorului, deci o crestere a curentului. Fenomenul apare mai ales la tensiuni mai aproape de 10V. Din aceasta cauza citirea aparatelor se va face cat mai repede. Datele se trec in tabelul 3.

Tabelul 3.

Pe baza datelor se deseneaza caracteristica volt-ampermetrica a termistorului. Pe acest grafic se ia un punct oarecare P pentru care se calculeaza rezistenta statica R_S cu relatia (10) si rezistenta dinamica R_D cu relatia (11). Aceste valori se trec in tabelul 2.

4. Intrebari

Pe baza caracteristici R f(T) determinati tipul termistorului.

Dati o schema pentru masurarea temperaturii care foloseste un termistor.

In domeniul de temperatura cuprins intre 20 C si 90 C calculati variatia coeficientului termic a_R folosind relatia (9) si luand diferenta de temperatura calculand pentru fiecare valoarea lui a_R si temperatura corespunzatoare . Cu datele obtinute trasati caracteristica a_R=f(T).